分離式隧道圍巖支護穩(wěn)定性控制探究

高曼

（廣東冠粵路橋有限公司，廣東 廣州 511400）

新奧法技術水平持續(xù)提高，已逐步成為隧道工程領域的支撐技術之一，施工期間做好監(jiān)控量測工作有利于推動作業(yè)的開展。以何種方式準確掌握信息并做出反饋，是新奧法施工期間應當重點考慮的問題，要求所得的監(jiān)控量測信息具有可靠性，以便用于判斷圍巖的質量情況，并給參數(shù)的優(yōu)化提供依據(jù)。此外，在計算機技術的支撐作用下，基于隧道的數(shù)值模擬分析工作也在大范圍展開，所得結果具有參考意義，將其與監(jiān)控量測綜合應用后，可提高隧道施工的靈活性，達到保質量、提效率的效果。

一、工程背景

惠州至清遠高速公路位于廣東省中部地區(qū)，是廣東高速公路網(wǎng)規(guī)劃主骨架汕頭至湛江高速公路的重要組成部分。項目途經(jīng)惠州市的博羅、龍門、廣州市的從化、清遠市的佛崗、清新、清城等市縣區(qū)，是珠三角地區(qū)與粵北山區(qū)之間過渡地帶的東西向重要高速公路通道，不僅與廣東高速公路網(wǎng)中的仁深、大廣、京珠、廣樂、清連等高速公路連接，也連接國道106線等重要道路，共同構成廣東省中部地區(qū)連接東西、貫穿南北的公路骨架網(wǎng)絡。項目的建設可完善廣東省高速公路網(wǎng)絡，加大珠三角經(jīng)濟區(qū)對廣東中部和東西兩翼的經(jīng)濟輻射能力，對促進社會的經(jīng)濟發(fā)展具有重要意義。

本文圍繞項目TJ11合同段的高山頂隧道工程展開探討。該隧道屬于惠清TJ11標控制性工程之一，左洞1527m，右洞1521m，長度約1.5km。隧道施工過程中，采用FLAC 3D軟件展開模擬分析，根據(jù)所得結果探討圍巖在隧道開挖期間隨時間延長而表現(xiàn)出的基本特性，綜合參考現(xiàn)場監(jiān)控量測結果，通過對比分析數(shù)據(jù)，對隧道圍巖的穩(wěn)定程度做出準確的判斷，并以此為依據(jù)采取動態(tài)化控制措施，減少安全隱患，助力隧道建設工作順利開展。

二、隧道圍巖及支護結構穩(wěn)定性分析的重要性

受洞室開挖的擾動影響，巖體的原始應力平衡狀態(tài)不復存在，圍巖應力較前期發(fā)生變化，轉至塑性狀態(tài)。此時，塑性區(qū)的覆蓋范圍擴寬，洞壁伴有較明顯的位移變化。此外，部分強度偏低的巖石自穩(wěn)能力不足，所受應力超過自身強度極限后受損，形成裂縫并脫落。為保證圍巖和洞室的穩(wěn)定性，可設置支護和襯砌結構阻止塑性區(qū)的擴展，減小圍巖位移量，使巖體維持在相對穩(wěn)定狀態(tài)。初期支護結構應當滿足承載力和剛度的雙重要求，結構穩(wěn)定是順利施工的關鍵前提。

在分析初期支護穩(wěn)定性時，主要考慮的要點包括隧道周邊位移速率幾乎為零，允許存在輕微的位移現(xiàn)象但不可侵入規(guī)定凈空；支護結構應維持完整的狀態(tài)，不可因裂縫或局部缺陷而導致其失去穩(wěn)定性，也不可出現(xiàn)坍塌或傾覆問題。在針對圍巖-支護體系的分析中，應當按照經(jīng)驗判斷→理論分析→數(shù)值計算的流程有序推進，提高結果的可靠性，改善施工效果。

三、隧道圍巖-支護體系穩(wěn)定性的主要判斷方法

隧道圍巖-支護體系穩(wěn)定性的判斷方法多樣，例如相對位移、位移時間曲線等方法均較為直觀。結合數(shù)值模擬結果以及實際監(jiān)控量測結果，可創(chuàng)建位移時間曲線用于反映圍巖和支護力學行為的特點。在此次關于分離式隧道的分析中，則以位移和位移變化速率為關鍵指標，再綜合考慮前期的隧道地質特征等相關資料，對圍巖-支護體系的穩(wěn)定性做出準確判斷。

四、數(shù)值模型

（一）數(shù)值模型的建立

相比于隧道徑向方向的尺寸，軸線方向的尺寸較大。根據(jù)該特點，沿隧道軸線方向取單位寬度，將其視為平面應變問題對待。計算區(qū)域以洞徑的3倍～5倍較為合適，在分析的模型兩邊均取40m，下部至隧道底部取30m。根據(jù)現(xiàn)場地質條件可知，該截面地表無明顯的起伏現(xiàn)象，其對隧道應力分布狀態(tài)所帶來的影響微乎其微，因此按水平地表處理。模型左右邊界為水平約束，上邊界為自由地表，下邊界為固定約束。

模型采用彈塑性本構模型，將摩爾-庫侖準則作為破壞準則。

（二）參數(shù)的選擇

V級圍巖和上部強風化層在經(jīng)過現(xiàn)場勘察及室內試驗后，匯總數(shù)據(jù)并分析確定物理力學參數(shù)，初期支護采用各向同性彈性模型和經(jīng)驗參數(shù)。根據(jù)節(jié)理巖體的特性，錨桿的作用在于連接破碎圍巖，使其恢復完整有利于提高圍巖的綜合性能，提升剛度和抗剪強度。

五、開挖的模擬與分析

（一）開挖模擬

圖1 隧道開挖工序

按先左洞后右洞，上下斷面的順序開挖，施作初次襯砌作為支護結構。具體施工流程為：組織左洞上半部的開挖作業(yè)，采取支護措施，維持其穩(wěn)定性；組織左洞下半部的開挖作業(yè)，采取支護措施，維持其穩(wěn)定性；組織右洞上半部的開挖作業(yè)，采取支護措施，維持其穩(wěn)定性；組織右洞下半部的開挖作業(yè)，采取支護措施，維持其穩(wěn)定性。

數(shù)值模擬期間，在左側墻、右側墻及拱頂三處布設測點，以便在開挖期間展開對左洞周邊位移量的監(jiān)測工作，使用所得結果作為綜合分析的參考依據(jù)，具體如圖1所示。

（二）模擬計算結果

經(jīng)模擬計算可知，在完成開挖支護作業(yè)后拱腰至仰拱兩側形成塑性區(qū)，覆蓋范圍較大，影響較明顯。此外，創(chuàng)建隧道的位移矢量圖可以發(fā)現(xiàn)左右洞周邊圍巖具有相類似的變形特點，均有向洞內發(fā)展的趨勢。

水平收斂集中發(fā)生于邊墻周邊區(qū)域，左洞最大值達到3.77mm，兩邊墻則達到1.81mm和1.96mm。相比之下，以拱底處的沉降最為明顯，為5.19mm；隆起現(xiàn)象集中于仰拱處，該區(qū)域的最大量達到4.89mm。

六、監(jiān)控量測結果及分析

（一）監(jiān)控量測結果

結合數(shù)值模擬結果，選取左洞K151+700斷面，重點對該處展開監(jiān)控量測工作，測點總量為4個，具體分布在拱頂、右拱腰、左右拱腳。在展開為期1個月的觀測后，匯總期間產(chǎn)生的各項數(shù)據(jù)，制得位移-時間曲線，如圖2所示。

（二）結果分析

本文重點分析拱頂沉降結果。

圖2 隧道周邊圍巖位移-時間散點圖

回歸分析。經(jīng)過現(xiàn)場量測后取得的數(shù)據(jù)具有離散的特性，不可避免存在偶然誤差。為簡化計算，需重點考慮位移u和時間f兩項參數(shù)的關系，生成u=f（t）函數(shù)，以此為工具實現(xiàn)對位移-時間散點圖的擬合操作。由于測量存在偶然誤差，加之施工期間的擾動性影響，因此形成的散點圖存在不規(guī)則變化的特點。在時間t延長之下，接觸壓力u有增加的變化趨勢，且各階段的幅度有所差異，初期增長速度較快，后續(xù)長幅較小。經(jīng)回歸分析后可知相關系數(shù)R=99.05%，通過與現(xiàn)場檢測的精度要求展開對比后，可知其達標。由此確定，拱頂?shù)淖罱K下沉量為5.167mm。

對比分析。將確定的數(shù)值模擬結果與監(jiān)控量測數(shù)據(jù)整合至相同的坐標系內，由此生成位移-時間曲線對比圖。

對比分析數(shù)值模擬結果與量測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)兩者具有較顯著的相似性。經(jīng)隧道開挖作業(yè)后，存在較為明顯的拱頂沉降現(xiàn)象；在采取上臺階支護措施后，該問題得到緩解，后續(xù)施工期間拱頂沉降速度依然有變化的趨勢，總體呈波浪狀；施工作業(yè)均完成后，由于已成型的初支可產(chǎn)生支護阻力，因此逐步恢復至穩(wěn)定的狀態(tài)。根據(jù)位移量可知，相比于實測數(shù)值模擬結果略大，該現(xiàn)象的出現(xiàn)與數(shù)值模擬期間未兼顧二次襯砌結構的作用有關。對于相對位移量，在經(jīng)過隧道開挖作業(yè)后，在拱腰和邊墻兩個區(qū)域形成較明顯的塑性區(qū)，但無明顯的相對收斂現(xiàn)象，最大為0.07%，相比于隧道周邊允許相對位移更小。

綜上所述，隧道的安全儲備較高，創(chuàng)建的圍巖-支護體系在隧道施工期間可維持穩(wěn)定狀態(tài)；支護參數(shù)的設計偏向保守，不利于降低成本，可適當弱化支護參數(shù)，并適度推遲襯砌支護時間，有利于釋放圍巖的松動壓力。需要強調的是，數(shù)值模擬均建立在理想狀態(tài)下，而現(xiàn)場監(jiān)控量測的環(huán)境錯綜復雜，不乏有內外部因素的干擾，因此只要將兩項數(shù)據(jù)存在的細微差別控制在合理范圍內，該問題可以忽略不計。

七、結語

經(jīng)數(shù)值模擬分析及現(xiàn)場監(jiān)控量測后，得知圍巖-支護體系的穩(wěn)定性較佳。有限元數(shù)值模擬分析結果表明，隧道施工期間存在塑性區(qū)，集中在仰拱兩側和邊墻周邊，拱底處存在最大沉降量，達5.19mm；仰拱處存在最大隆起量，為4.89mm。

以所得的現(xiàn)場量測數(shù)據(jù)為依據(jù)，展開非線性回歸分析，由此確定位移隨時間推移的具體變化特點，再與數(shù)值模擬結果對比，得知兩者具有高度的相似性，圍巖-支護體系可維持穩(wěn)定狀態(tài)。

通過模擬有限差分數(shù)值，結合現(xiàn)場監(jiān)控量測，是隧道工程施工中的關鍵分析模式，可較為準確地判斷隧道圍巖的實際情況，具有推廣價值。